Transmisja bezpołączeniowa i połączeniowa

Transkrypt

1 Transmisja bezpołączeniowa i połączeniowa Mikołaj Leszczuk

2 Spis treści wykładu Komunikacja bezpołączeniowa Komunikacja połączeniowa Protokół UDP Protokół TCP Literatura

3 Komunikacja bezpołączeniowa wprowadzenie Ang. Datagram Support Services Datagram = niezależny pakiet Zawodne przesyłanie krótkich wiadomości Zawodność - brak gwarancji, że adresat odbierze daną wiadomość Brak potwierdzeń brak informowania strony wysyłającej o tym co stało się z wysłaną wiadomością

4 Komunikacja bezpołączeniowa adresowanie datagramów Za pomocą konkretnego (unikalnego) adresu pojedynczego adresata Za pomocą trybu rozgłaszania w sieci (broadcast) wiadomość wysyłana do wszystkich odbiorców w sieci, wpisanych na listę rozgłoszeniową

5 Komunikacja bezpołączeniowa zastosowania Transmisje o niewielkiej ważności (czas) Transmisje w sieciach idealnych (2 komputery w LAN) Transmisje multimedialne (wideo na żądanie) Transmisje między uproszczonymi urządzeniami (wgrywanie nowych wersji oprogramowania) Transmisje rozgłoszeniowe (ang. multicast) w sieci (radio internetowe)

6 Komunikacja bezpołączeniowa (4/4) Należy podkreślić, że wiadomość zostanie odebrana tylko wtedy, gdy adresat oczekuje na odbiór datagramu W przeciwnym wypadku wiadomość jest ignorowana Limit przesyłanej informacji w pojedynczym datagramie wynosi zwykle około 500 bajtów

7 Komunikacja połączeniowa (1) Session Support Services Komunikacja połączeniowa polega na nawiązaniu sesji (logicznego połączenia) pomiędzy dwiema utworzonymi wcześniej nazwami. Przy czym nie muszą one znajdować się na dwóch różnych stacjach. Można także dokonywać połączeń w ramach jednej maszyny, a nawet w ramach jednego procesu

8 Komunikacja połączeniowa (2) Po nawiązaniu sesji, przydzielany jest jej unikatowy numer. W ramach sesji wiadomości przesyłane są niezawodnie. Oznacza to, że ich zawartość oraz kolejność odbierania nie zostają naruszone. Jeśli adresat nie odbierze wiadomości, strona wysyłająca jest informowana o zaistniałym błędzie

9 Komunikacja połączeniowa (3) Pojedyncza wiadomość może mieć zwykle do około 64kB długości. Jeśli wystąpi błąd podczas przesyłania wiadomości, to następuje zamknięcie sesji. Protokoły zwykle same dbają o podział długich wiadomości na małe pakiety, w zależności od fizycznych wymagań sieci

10 Protokoły połączeniowe Mechanizm okna (1) Proces odbierający dane wysyła wraz z potwierdzeniami rozmiar bufora, który może przeznaczyć na dodatkowe dane. Ta ilość bajtów, nazywana oknem, to maksymalna ilość bajtów, jakie strona wysyłająca może wysłać dopóki nie dostanie nowego okna. Czasami odbiorca nie ma miejsca na przyjęcie danych - wtedy powinien odesłać wartość zero. W takiej sytuacji nadawca powinien co jakiś czas wysyłać niedużą porcję danych by sprawdzić, czy można wysłać więcej danych

11 Protokoły połączeniowe Mechanizm okna (2) Jeżeli okno ma przez dłuższy czas wartość zero, a nadawca nie może doczekać się żadnej komunikacji ze strony odbiorcy powinien uznać, że odiorca "nie żyje". Musimy tu zauważyć jeszcze jednż bardzo ważną sytuację: odbiorca odsyłając "okno" określa, ile może przyjąć danych powyżej bajtu, który właśnie potwierdza. Taką wartość nazwiemy proponowanym oknem. Nadawca oblicza dla siebie wartość okna: jako proponowane okno minus ilość nie potwierdzonych bajtów

12 UDP Wprowadzenie User Datagram Protocol (UDP) został stworzony aby móc przesyłać datagramy pomiędzy komputerami podłączonymi do sieci komunikacyjnej Protokół ten zakłada występowanie IP w niższej warstwie Protokół zapewnie maksymalnie uproszczoną procedurę przesyłania wiadomości pomiędzy aplikacjami Protokół jest zorientowany transakcyjnie, a dostarczenie wiadomości nie jest gwarantowane Aplikacje wymagające uporządkowanej i gwarantowanej transmisji strumieni danych powinny używać TCP Aplikacje wymagające uporządkowanej transmisji strumieni danych powinny używać RTP (Real-Time Transport Protocol)

13 Enkapsulacja UDP

14 Protokół UDP Format nagłówka (1) Source Port jest polem opcjonalnym, jeśli podane, oznacza ono port procesu wysyłającego i można założyć, że jest to port, na który zaadresowana powinna być odpowiedź, jeśli brak jakielkolwiek innej informacji. Jeśli nie używane, wstawiana jest wartość zero

15 Protokół UDP Format nagłówka (2) Destination Port ma znaczenie w kontekście konkretnego adresu IP celu. Length jest długością w oktetach datagramu wliczając w to nagłówej i dane. To oznacza, że najmniejszą wartością długości jest osiem. Checksum to suma kontrolna nagłówka i danych

16 UDP Interfejs użytkownika Interfejs użytkownika powinien pozwalać na: Tworzenie nowych portów odbiorczych, Operacje odbioru na portach odbiorczych: o Zwracające oktety danych o Określające: Port źródłowy Adres źródłowy Operacje umożliwiajace wysłanie datagramu, przy określeniu: o Danych o Portu źródłowego i docelowego o Adresu docelowego

17 UDP Interfejs IP Moduł UDP musi być w stanie określić źródłowy i docelowy adres IP oraz pole Protocol z nagłówka IP. W szczególności, interfejs UDP/IP może zwracać cały datagram IP wraz z pełnym nagłówkiem jako odpowiedź operacji odbioru. Taki interfejs UDP może także pozwolić a przekazanie całego datagramu IP z pełnym nagłówkiem do warstwy IP, która wyśle datagram w sieć. Warstwa IP weryfikuje wtedy zgodność konkretnych pól i oblicza sumę kontrolną nagłówka IP

18 UDP Aplikacje i numer protokołu Aplikacje najczęściej korzystające z UDP to: o Internet Name Server o Trivial File Transfer Numer protokołu do wpisania w odpowiednie pola nagłówka IP to 17 (21 oktalnie)

19 Protokół TCP Wprowadzenie (1) TCP (ang. Transmission Control Protocol) to strumieniowy protokół komunikacji między dwoma komputerami. TCP zapewnia: o wiarygodne połączenie dla wyższych warstw komunikacyjnych przy pomocy sum kontrolnych o numerowanie pakietów w celu weryfikacji: wysyłki odbioru TCP porządkuje pakiety, które na przykład na skutek podróżowania różnymi ścieżkami, przybywają w nieprawidłowej kolejności

20 Protokół TCP Wprowadzenie (2) Brakujące pakiety są obsługiwane przez żądania retransmisji. TCP wymaga (w porównaniu do innych protokołów) większych: o mocy procesora o przepustowości łącz W związku z tym aplikacje, w których czas jest krytyczny (media strumieniowe, gry sieciowe) poświęcają wiarygodność na rzecz szybkości i nie używają TCP. Z kolei protokoły takie jak HTTP i FTP używają wiarygodnego TCP

21 Protokół TCP Przyczyny powstania Początkowo w celu sprostania wymaganiom transmisji dla potrzeb wojska Zwłaszcza: o pewność transmisji w obliczu niepewnego działania sieci o Dostępność transmisji w obliczu możliwych natłoków w sieci Oczywiście wiele z tych problemów występuje także w sieci publicznej stąd późniejsza popularność TCP w Internecie Później więc protokół TCP został użyty w celu sprzęgania komputerów wielu różnych typów znajdujących się: o w instytutach badawczych, o na uniwersytetach, o w agencjach rządowych

22 Protokół TCP Niezawodna wymiana danych TCP jest protokołem end-to-end, stworzonym do współpracy z innymi protokołami. Protokół TCP realizuje usługę niezawodnej wymiany danych w łączach zorientowanych na połączenie. Oznacza to, że przy pisaniu aplikacji sieciowych wymieniających dane i wiadomości z innymi komputerami (a tym samym komunikujących się z niższymi warstwami protokołów sieciowych w celu przesyłania tych danych) nie ma potrzeby tworzenia funkcji weryfikujących, czy dane zostały odebrane. To zadanie realizuje niezawodny protokół TCP

23 TCP Warstwy protokołów Część większej całości określanej jako stos TCP-IP. W modelu OSI TCP w warstwie Sesji. Ponad protokołem IP. Internet Protocol dostarcza protokołowi TCP mechanizmy wysyłki i odbierania zmiennej długości segmentów danych zapakowanych w datagramy IP Datagramy przejmują kwestie adresacji

24 Protokół TCP Użycie protokołu IP Protokół TCP wykorzystuje protokół IP do przesyłania informacji poprzez sieć. Zaskakujące jest jednak to, że IP jest bezpołączeniowym protokołem sieciowym, nie gwarantującym niezawodnego przekazu danych. W zamian za to IP oferuje efektywny mechanizm transmisji. Jego wady związane z niezawodnością eliminuje nadrzędny protokół TCP. Dane i wiadomości TCP (oficjalnie nazwane segmentami) są umieszczane w datagramach IP i przesyłane przez ten protokół poprzez sieć

25 Hermetyzacja realizowana przez router Projektanci opracowali technikę hermetyzacji, w celu wyeliminowania konieczności dokonywania zmian w wewnętrznych protokołach sieciowych użytkowników, (co byłoby niezbędne w przypadku łączenia różnych typów sieci). Założono, że każda sieć może korzystać z własnego protokołu komunikacyjnego. Funkcję hermetyzacji realizują routery (oryginalnie nazywane bramami (gateways))

26 Cechy TCP Nawiązywanie połączenia (1) Identyfikator portu TCP: w celu identyfikacji niezależnych strumieni obsługiwanych przez TCP Porty wybierane niezależnie przez każdą ze stron i przez każde z połączeń => mogą nie być unikalne Doklejane do adresu IP: AAA.BBB.CCC.DDD:EEEEE Połączenie specyfikowane przez parę gniazd (sockets) na obu końcach Transmisja danych w obu kierunkach ( full-duplex ) Gniazdo lokalne Gniazdo obce Gniazdo obce

27 Cechy TCP Nawiązywanie połączenia (2) Dowolność przyporządkowywania portów TCP do procesów Jednakże w każdej implementacji pewne podstawowe konwencje Grupa powszechnie znanych portów do których przyporządkowywane są tylko odpowiednie procesy Procesy mogą posiadać porty i inicjalizować połączenia tylko na portach które posiadają. Znane porty TCP (wybór): o 21 ftp o 22 ssh o 80 http o 139 netbios-ssn o 445 microsoft-ds o 8080 http-proxy

28 Cechy TCP Nawiązywanie połączenia (3) Sposób implementacji nabywania portów w posiadanie lokalny, według standardu: o Polecenie użytkownika (Request Port) o Powiązanie grupy portów identyfikowanych wyższymi bitami numerów z numerem procesu Połączenie specyfikowane wywołaniem OPEN W czasie nawiązywania połączenia konieczność zapamiętania wielu informacji Struktura danych Transmission Control Block (TCB) W trakcie nawiązywania połączenia wymieniane trzy komunikaty

29 Protokół TCP Format nagłówka (1)

30 Protokół TCP Format nagłówka (2) Source Port: 16 bitów Numer portu źródłowego Destination Port: 16 bitów Numer portu docelowego Sequence Number: 32 bity Numer sekwencyjny pierwszego oktetu w tym segmencie (chyba, że ustawiono SYN). Jeśli ustawiono SYN, to numer sekwencyjny to initial sequence number (ISN)

31 Protokół TCP Format nagłówka (3) Acknowledgment Number: 32 bity Jeśli ustawiono bit ACK, to pole zawiera numer sekwencyjny, jakiego oczekuje nadawca tego segmentu. Zawsze wysyłany od chwili nawiązania połączenia. Data Offset: 4 bity Liczba 32-bitowych słów w Nagłówku TCP, czyli wskaźnik na początek danych. Nagłówek TCP (nawet zawierający opcje) to liczba całkowita o długości 32 bitów. Zarezerwowane: 6 bitów Zarezerwowane dla przyszłego użycia

32 Protokół TCP Format nagłówka (4) Control bits: 6 bitów (od lewej do prawej) o URG: Urgent Pointer field significant o ACK: Acknowledgment field significant o PSH: Push Function o RST: Reset the connection o SYN: Synchronize sequence numbers o FIN: No more data from sender Window: 16 bitów Liczba oktetów danych, poczynając od oktetu wskazanego w polu potwierdzenia, które zaakceptuje nadawca tego segmentu

33 Protokół TCP Format nagłówka (5) Checksum: 16 bitów Pole sumy kontrolnej to 16-bitowe dopełnienie do 16 bitów sumy kontolnej kazdego z bitów nagłówka i danych. Gdy segment nie jest wielokrotnością 16 bitów wypełnienie zerami do prawa (tylko dla celów sumy kontrolnej). Pole sumy kontrolnej w trakcie jej liczenia równe zero. Urgent Pointer: 16 bitów Pole określające aktualną wartość urgent pointer jako dodatniego przesunięcia od numeru sekwencyjnego w segmencie. Urgent pointer wskazuje na numer sekwencyjny oktetu zaraz po pilnych danych. Pole impretowane tylko ustawiony jest bit kontrolny URG

34 Protokół TCP Format nagłówka (6) Options: zmienne Możliwe zajęcie przestrzeni aż do końca nagłówka TCP, wielokrotność długości 8 bitów. Wszystkie opcje są wliczane do sumy kontrolnej. Opcja może rozpoczynac się od pozycji wielokrotności oktetu. Dwie możliwości formatowania opcji: o Przypadek 1: opcja o długości jednego oktetu o Przypadek 2: opcja o długości wielu oktetów: indykator opcji, długość, właściwe dane Padding: zmienne Zapewnia podzielność długości nagłówka przez 32 bity, wartość zerowa

35 Three-Way Handshake TCP characteristic connection point Host initiating connection sending packet containing TCP segment with SYN flag set (synchronize) Host receiving call (if wanting to handle them) sending package with flags SYN and ACK (acknowledge confirmation) Initiating host sending now first chunk of data, just by setting the ACK flag set (and putting out SYN) If receiving host does not wanting or cannot taking call, then responding with packet set to RST (reset)

36 Simplified TCP State Diagram

37 Literatura i źródła (1/3) RFC: 793; Transmission Control Protocol; DARPA Internet Program; Protocol Specification RFC User Datagram Protocol

38 Literatura i źródła (2/3) Wikipedia TCP, Transmission Control Protocol htm Tomasz Czwarno, Działanie i konfiguracja TCP

39 Literatura i źródła (3/3) Trivial TCP; BARDZO małe wprowadzenie do mechanizmów zawartych w protokole TCP d1.txt Pakiet 1: Sieci komputerowe